Алюминий: характеристики, свойства и применение металла

Характеристики алюминия

• Плотность алюминия – 2,7*103 кг/м3;
• Удельный вес алюминия – 2,7 г/cм3;
• Удельная теплоемкость алюминия при 20oC – 0,21 кал/град;
• Температура плавления алюминия – 658,7oC ;
• Удельная теплоемкость плавления алюминия – 76,8 кал/град;
• Температура кипения алюминия – 2000oC ;
• Относительное изменение объема при плавлении (дельтаV/V) – 6,6%;
• Коэффициент линейного расширения алюминия (при температуре около 20oC) : – 22,9 *106(1/град);
• Коэффициент теплопроводности алюминия – 180ккал/м*час*град;

Модули упругости алюминия и коэффициент Пуассона

Наименование материала	Модуль Юнга, кГ/мм2	Модуль сдвига, кГ/мм2	Коэффициент Пуассона
Алюминиевая бронза, литье	10500	4200	–
Алюминиевая проволока тянутая	7000	–	–
Алюминий катаный	6900	2600-2700	0,32-0,36

Отражение света алюминием

Числа, приведенные в таблице, показывают, какая доля света в %, падающего перпендикулярно к поверхности, отражается от нее.

Наименование волн	Длина волны	Отражение света, %
Ультрафиолетовые	1880	25
	2000	31
	2510	53
	3050	64
	3570	70
Видимые	5000	–
	6000	–
	7000	–
Инфакрасные	8000	–
	10000	74
	50000	94
	100000	97

Оксид алюминия Al2O3

Оксид алюминия Al2O3, называемый также глиноземом, встречается в природе в кристаллическом виде, образуя минерал корунд. Корунд обладает очень высокой твердостью. Его прозрачные кристаллы, окрашенные в красный или синий цвет, представляют собой драгоценные камни – рубин и сапфир. В настоящее время рубины получают искусственно, сплавляя с глиноземом в электрической печи. Они используются не столько для украшений, сколько для технических целей, например, для изготовления деталей точных приборов, камней в часах и т.п. Кристаллы рубинов, содержащих малую примесь Cr2O3, применяют а качестве квантовых генераторов – лазеров, создающих направленный пучек монохроматического излучения.

Корунд и его мелкозернистая разновидность, содержащая большое количество примесей – наждак, применяются как абразивные материалы.

Способы получения

Оксид алюминия можно получить различными методами:

1. Горением алюминия на воздухе:

4Al + 3O2 → 2Al2O3

2. Разложением гидроксида алюминия при нагревании:

2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O

3. Оксид алюминия можно получить разложением нитрата алюминия:

4Al(NO3)3 → 2Al2O3 + 12NO2 + 3O2

Химические свойства

Оксид алюминия — типичный амфотерный оксид. Взаимодействует с кислотными и основными оксидами, кислотами, щелочами.

1. При взаимодействии оксида алюминия с основными оксидами образуются соли-алюминаты.

Например, оксид алюминия взаимодействует с оксидом натрия:

Na2O  +  Al2O3  → 2NaAlO2

2.Оксид алюминия взаимодействует с растворимыми основаниями (щелочами). При этом в расплаве образуются соли—алюминаты, а в растворе – комплексные соли. При этом оксид алюминия проявляет кислотные свойства.

Например, оксид алюминия взаимодействует с гидроксидом натрия в расплаве с образованием алюмината натрия и воды:

2NaOH  +  Al2O3  → 2NaAlO2 +  H2O

Оксид алюминия растворяется в избытке щелочи с образованием тетрагидроксоалюмината:

Al2O3  +  2NaOH +  3H2O →  2Na[Al(OH)4]

3. Оксид алюминия  не взаимодействует с водой.

4. Оксид алюминия взаимодействует с кислотными оксидами (сильных кислот). При этом образуются соли алюминия. При этом оксид алюминия проявляет основные свойства.

Например, оксид алюминия взаимодействует с оксидом серы (VI) с образованием сульфата алюминия:

Al2O3 + 3SO3 → Al2(SO4)3

5.Оксид алюминия взаимодействует с растворимыми кислотами с образованием средних и кислых солей.

Например, оксид алюминия реагирует с серной кислотой:

Al2O3  +  3H2SO4  → Al2(SO4)3  +  3H2O

6. Оксид алюминия проявляет слабые окислительные свойства.

Например, оксид алюминия реагирует с гидридом кальция с образованием алюминия, водорода и оксида кальция:

Al2O3  +  3CaH2 → 3CaO  +  2Al  +  3H2

Электрический токвосстанавливает алюминий из оксида (производство алюминия):

2Al2O3  → 4Al + 3O2

7. Оксид алюминия — твердый, нелетучий. А следовательно, он вытесняет более летучие оксиды (как правило, углекислый газ) из солей при сплавлении.

Например, из карбоната натрия:

Al2O3  +  Na2CO3 → 2NaAlO2  +  CO2

Гидроксид алюминия

Способы получения

1. Гидроксид алюминия можно получить действием раствора аммиакана соли алюминия.

Например, хлорид алюминия реагирует с водным раствором аммиака с образованием гидроксида алюминия и хлорида аммония:

AlCl3 + 3NH3 + 3H2O = Al(OH)3 + 3NH4Cl

2.Пропусканием углекислого газа, сернистого газа или сероводородачерез раствор тетрагидроксоалюмината натрия:

Na[Al(OH)4] + СО2 = Al(OH)3 + NaНCO3

Чтобы понять, как протекает эта реакция, можно использовать несложный прием: мысленно разбить сложное вещество Na[Al(OH)4] на составные части: NaOH и Al(OH)3. Далее мы определяем, как реагирует углекислый газ с каждым из этих веществ, и записываем продукты их взаимодействия. Т.к. Al(OH)3 не реагирует с СО2, то мы записываем справа Al(OH)3  без изменения.

3. Гидроксид алюминия можно получить действием недостатка щелочи на избыток соли алюминия.

Например, хлорид алюминия реагирует с недостатком гидроксида калия с образованием гидроксида алюминия и хлорида калия:

AlCl3 + 3KOH(недост.) = Al(OH)3↓+ 3KCl

4. Также гидроксид алюминия образуется при взаимодействии растворимых солей алюминия с растворимыми карбонатами, сульфитами и сульфидами. Сульфиды, карбонаты и сульфиты алюминия необратимо гидролизуются в водном растворе.

Например:бромид алюминия реагирует с карбонатом натрия. При этом выпадает осадок гидроксида алюминия, выделяется углекислый газ и образуется бромид натрия:

2AlBr3  +  3Na2CO3  + 3H2O  =  2Al(OH)3↓  +  3CO2↑ +  6NaBr

Хлорид алюминия реагирует с сульфидом натрия с образованием гидроксида алюминия, сероводорода и хлорида натрия:

2AlCl3  +  3Na2S  +  6H2O  =  2Al(OH)3  +  3H2S↑  +  6NaCl

Химические свойства

1. Гидроксид алюминия реагирует с растворимыми кислотами. При этом образуются средние или кислые соли, в зависимости от соотношения реагентов и типа соли.

Например, гидроксид алюминия взаимодействует с азотной кислотой с образованием нитрата алюминия:

Al(OH)3 + 3HNO3 → Al(NO3)3 + 3H2O

Al(OH)3  +  3HCl →  AlCl3  +  3H2O

2Al(OH)3  +  3H2SO4  → Al2(SO4)3  +  6H2O

Al(OH)3  +  3HBr →  AlBr3  +  3H2O

2. Гидроксид алюминия взаимодействует с кислотными оксидами сильных кислот.

Например, гидроксид алюминия взаимодействует с оксидом серы (VI) с образованием сульфата алюминия:

2Al(OH)3 + 3SO3 → Al2(SO4)3 + 3H2O

3. Гидроксид алюминия взаимодействует с растворимыми основаниями (щелочами). При этом в расплаве образуются соли—алюминаты, а в растворе – комплексные соли. При этом гидроксид алюминия проявляет кислотные свойства.

Например, гидроксид алюминия взаимодействует с гидроксидом калия в расплаве с образованием алюмината калия и воды:

2KOH  +  Al(OH)3  → 2KAlO2 + 2H2O

Гидроксид алюминия растворяется в избытке щелочи с образованием тетрагидроксоалюмината:

Al(OH)3 + KOH  →  K[Al(OH)4]

4. Гидроксид алюминия разлагается при нагревании:

2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O

Видеоопытвзаимодействия гидроксида алюминия с соляной кислотой и щелочами (амфотерные свойства гидроксида алюминия) можно посмотреть здесь.

Соли алюминия

Нитрат и сульфат алюминия

Нитрат алюминия при нагревании разлагается на оксид алюминия, оксид азота (IV)  и кислород:

4Al(NO3)3 → 2Al2O3  +  12NO2  +   3O2

Сульфат алюминия при сильном нагревании разлагается аналогично — на оксид алюминия, сернистый газ и кислород:

2Al2(SO4)3 → 2Al2O3   +  6SO2  +  3O2

Комплексные соли алюминия

Для описания свойств комплексных солей алюминия — гидроксоалюминатов, удобно использоваться следующий прием: мысленно разбейте тетрагидроксоалюминат на две отдельные молекулы — гидроксид алюминия и гидроксид щелочного металла.

Например, тетрагидроксоалюминат натрия  разбиваем на гидроксид алюминия и гидроксид натрия:

Na[Al(OH)4] разбиваем на NaOH и Al(OH)3

Свойства всего комплекса можно определять, как свойства этих отдельных соединений.

Таким образом, гидроксокомплексы алюминия реагируют скислотными оксидами.

Например, гидроксокомплекс разрушается под действием избытка  углекислого газа. При этом с СО2 реагирует NaOH с образованием кислой соли (при избытке СО2), а амфотерный гидроксид алюминия не реагирует с углекислым газом, следовательно, просто выпадает в осадок:

Na[Al(OH)4]  +  CO2  → Al(OH)3↓  +  NaHCO3

Аналогично тетрагидроксоалюминат калия реагирует с углекислым газом:

K[Al(OH)4]  +  CO2  → Al(OH)3  +  KHCO3

По такому же принципу тетрагидроксоалюминаты реагирует с сернистым газом SO2:

Na[Al(OH)4]  +  SO2  → Al(OH)3↓  +  NaHSO3

K[Al(OH)4]  +  SO2  → Al(OH)3  +  KHSO3

А вот под действиемизбытка сильной кислотыосадок не выпадает, т.к. амфотерный гидроксид алюминия реагирует с сильными кислотами.

Например, с соляной кислотой:

Na[Al(OH)4]   +  4HCl(избыток)  → NaCl  +  AlCl3  +  4H2O

Правда, под действием небольшого количества (недостатка) сильной кислотыосадок все-таки выпадет, для растворения гидроксида алюминия кислоты не будет хватать:

Na[Al(OH)4]   +  НCl(недостаток)   → Al(OH)3↓  +  NaCl  +  H2O

Аналогично с недостатком азотной кислоты выпадает гидроксид алюминия:

Na[Al(OH)4]  +  HNO3(недостаток)  → Al(OH)3↓  +  NaNO3  +  H2O

Комплекс разрушается при взаимодействии схлорной водой(водным раствором хлора) Cl2:

2Na[Al(OH)4]  +  Cl2   → 2Al(OH)3↓  +  NaCl  +  NaClO +  H2O

При этом хлор диспропорционирует.

Также комплекс может прореагировать с избытком хлорида алюминия. При этом выпадает осадок гидроксида алюминия:

AlCl3  +  3Na[Al(OH)4]   → 4Al(OH)3↓  +  3NaCl

Если выпарить воду из раствора комплексной соли и нагреть образующееся вещество, то останется обычная соль-алюминат:

Na[Al(OH)4]  →  NaAlO2   +  2H2O↑

K[Al(OH)4]  →  KAlO2   +  2H2O

Гидролиз солей алюминия

Растворимые соли алюминия  и сильных кислот гидролизуются по катиону. Гидролиз протекает ступенчато и обратимо, т.е. чуть-чуть:

I ступень: Al3+ + H2O = AlOH2+ + H+

II ступень: AlOH2+ + H2O = Al(OH)2+ + H+

III ступень: Al(OH)2+ + H2O = Al(OH)3 + H+

Однако  сульфиды, сульфиты, карбонаты алюминия и их кислыесоли гидролизуются необратимо, полностью, т.е. в водном растворе не существуют, а разлагаются водой:

Al2(SO4)3  +  6NaHSO3  → 2Al(OH)3  +  6SO2  +  3Na2SO4

2AlBr3  +  3Na2CO3  + 3H2O →  2Al(OH)3↓  +  CO2↑ +  6NaBr

2Al(NO3)3  +  3Na2CO3  +  3H2O →  2Al(OH)3↓  +  6NaNO3  +  3CO2↑

2AlCl3  +  3Na2CO3  +  3H2O → 2Al(OH)3↓  +  6NaCl  +  3CO2↑

Al2(SO4)3  +  3K2CO3  +  3H2O →  2Al(OH)3↓  +  3CO2↑  +  3K2SO4

2AlCl3  +  3Na2S  +  6H2O →  2Al(OH)3  +  3H2S↑  +  6NaCl

Более подробно про гидролиз можно прочитать в соответствующей статье.

Алюминаты

Соли, в которых алюминий является кислотным остатком (алюминаты) — образуются из оксида алюминия при сплавлении с щелочами и основными оксидами:

Al2O3 + Na2O → 2NaAlO2

Для понимания свойств алюминатов их также очень удобно разбить на два отдельных вещества.

Например, алюминат натрия мы разделим мысленно на два вещества: оксид алюминия и оксид натрия.

NaAlO2 разбиваем на Na2O и Al2O3

Тогда нам станет очевидно, что алюминаты реагируют скислотами с образованием солей алюминия:

KAlO2  +  4HCl → KCl  +  AlCl3  +  2H2O

NaAlO2  +  4HCl →  AlCl3  +  NaCl  +  2H2O

NaAlO2  +  4HNO3  → Al(NO3)3  +  NaNO3  +  2H2O

2NaAlO2  +  4H2SO4  → Al2(SO4)3   +  Na2SO4  +  4H2O

Под действием избытка воды алюминаты переходят в комплексные соли:

KAlO2  + H2O   =  K[Al(OH)4]

NaAlO2  +  2H2O  =  Na[Al(OH)4]

Бинарные соединения

Сульфид алюминия под действием  азотной кислоты окисляется до сульфата:

Al2 S3  +  8HNO3  →  Al2(SO4)3  +  8NO2  +  4H2O

либо до серной кислоты (под действием горячей концентрированной кислоты):

Al2 S3  +  30HNO3(конц. гор.)  →  2Al(NO3)3  +  24NO2  +  3H2SO4   +  12H2O

Сульфид алюминия разлагается водой:

Al2S3  + 6H2O →  2Al(OH)3↓    +  3H2S↑

Карбид алюминия также разлагается водой при нагревании на гидроксид алюминия и метан:

Al4C3  +  12H2O → 4Al(OH)3  +  3CH4

Нитрид алюминия разлагается под действием минеральных кислот на соли алюминия и аммония:

AlN  +  4HCl →  AlCl3  +  NH4Cl

Также нитрид алюминия разлагается под действием воды:

AlN  +  3H2O →  Al(OH)3↓  +  NH3

Свойства крылатого металла

Алюминий (Aluminium) имеет несчастливый 13 номер в периодической таблице Менделеева. Однако на счастливую судьбу металла это не повлияло.

Этот легкий серебристый металл послушно поддается механической обработке и литью, имеет большую тягучесть.

Редкая способность — быстро образовывать окисные пленки на поверхности чистого металла. Но эти пленки не слишком хорошо защищают от коррозии. Надежнее химическое и электрохимическое оксидирование. Формула оксидной пленки А12Оз.

Химические и физические характеристики алюминия:

• плотность 2,7 г/см3;
• температура плавления 660°С;
• кипит цветной металл при температуре 2518°С;
• строение кристаллической решетки гранецентрированное, кубическое;
• степени окисления 0; +3.

С помощью металлического алюминия (его взаимодействия с оксидами металлов) получают трудновосстанавливаемые металлы. Этот метод называется алюминотермия.

 

Свойства атома
Название, символ, номер	Алюминий / Aluminium (Al), 13
Группа, период, блок	13, 3,
Атомная масса (молярная масса)	26,9815386(8)[1] а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Ne] 3s2 3p1
Электроны по оболочкам	2, 8, 3
Радиус атома	143 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	121 ± 4 пм
Радиус Ван-дер-Ваальса	184 пм
Радиус иона	51 (+3e) пм
Электроотрицательность	1,61 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	−1,66 В
Степени окисления	0; +3
Энергия ионизации	1‑я: 577,5 (5,984) кДж/моль (эВ)  2‑я: 1816,7 (18,828) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Термодинамическая фаза	Твёрдое вещество
Плотность (при н. у.)	2,6989 г/см³
Температура плавления	660 °C, 933,5 K
Температура кипения	2518,82 °C, 2792 K
Уд. теплота плавления	10,75 кДж/моль
Уд. теплота испарения	284,1 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	24,35[2] 24,2[3] Дж/(K·моль)
Молярный объём	10,0 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	кубическая гранецентрированая
Параметры решётки	4,050 Å
Температура Дебая	394 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 237 Вт/(м·К)
Скорость звука	5200 м/с
Номер CAS	7429-90-5

Алюминий имеет один стабильный изотоп, 27Al.

Микроструктура алюминия на протравленной поверхности слитка, чистотой 99,9998 %, размер видимого сектора около 55×37 мм.

Неправда, но хорошо придумано

В печатных изданиях, а сейчас и в интернете гуляет история о крестьянине, который вел «крамольные беседы о полете на Луну». Крестьянина (или мещанина), по одним сведениям Петрова, по другим Никифорова, сослали в киргизский поселок Байконур» Якобы известие о факте напечатано был в Московских губернских новостях», в 1848 году. Сейчас, когда с космодрома Байконура ушли в космос не один десяток спутников и станций, этот факт выглядит пророческим и мистическим.

Вот только это неправда. Дотошные читатели перерыли подшивки этой газеты, и заметки такой не обнаружили. Это просто красивая легенда.

Алюминиевые сплавы, плюсы и минусы

Кодовый символ, указывающий, что алюминий может быть вторично переработан.

Чистый алюминий в строительных конструкциях применять нецелесообразно. Прочностные характеристики у него «так себе». А вот алюминиевые сплавы — другое дело. Сейчас известны и используются около 60 сплавов. Можно выбрать для любых нужд, на любой вкус.

Классификация сплавов проводится по составу, свойствам, по способности к термической обработке.

Добавки меди, магния и марганца, цинка существенно улучшают характеристики сплава в сравнении с чистым металлом. Этими металлами чаще всего легируют алюминий. Титан, литий, ванадий, церий, скандий, некоторые редкоземельные элементы для легирования применяются реже, но свойства этих сплавов также востребованы в промышленности.

Дюраль

Дюралюмины — сплавы алюминия с медью (4%), магнием (0,5%) и небольшого количества железа, марганца, кремния. Недостаток дюралей — подверженность коррозии; с ней справляются, применяя анодирование, плакировку, авиационную грунтовку, окрашивание.

Востребованные свойства сплава: хорошая статическая и усталостная прочность, высокая вязкость разрушения.

Широко применяется в деталях и конструкциях, где большую роль играет масса изделия. Главные потребители сплава — авиация, судостроение, космонавтика.

Для любознательных: дюралюминий придумали в 1909 году. «Папа» сплава — А. Вильм.

Сплав 7075

Разрабатывался компанией Sumitomo Metal Corporation (Япония) в строжайшей тайне.

Представляет соединение алюминия с цинком (до 6%), магния (2-2,5%), меди (до 1,5%). В тот же сплав добавлены титан, кремний, марганец, хром, железо. Добавки эти составляют не более 0,5%, но свой вклад в свойства сплава вносят.

Сплав сравним по прочности со сталью, но легче ее в три раза.

Модификации сплава:

• 7075-0;
• 7075-06;
• 7075-Т651;
• 7075-Т7;
• 7075-АСР.

Сплавы устойчивы к коррозии, хорошо полируются.

Применяются в производстве винтовок для армии и граждан. Промышленности автомобильная, авиационная, морская активно используют сплав. Его минус — достаточно высокая цена.

Сплавов разных много

В России довольно много сплавов с разными свойствами:

• D1, D16, 1161, 1163 — алюминий, магний, медь;
• АМГ1 — АМГ6, сплав алюминия и магния;
• AD31, AD33, AD35, AB — алюминий, кремний, магний. Список легко продолжить.

Старость в радость

Не всегда старость — это плохо. Металл — как человек или вино; с возрастом свойства алюминия меняются; он становится лучше, крепче, сильнее.

Естественное старение металла происходит при нормальных условиях; можно сказать, что металл «дозревает».

Искусственное старение проходит при термообработке и пластическом деформировании.

Термическая обработка бывает разных видов. Выбор зависит от назначения будущего сплава.

Вид термообработки	Что дает термообработка
Закалка с полным искусственным старением	Высокая прочность сплава, но некоторое снижение пластичности
Закалка со стабилизирующим старением	Хорошая прочность, довольно высокая стабильность структуры
Закалка с последующим смягчающим отпуском	Хорошая пластичность, но снижение прочности сплава
Искусственное старение	Повышает прочность сплава, улучшает возможность обработки резанием
Отжиг	Повышение пластичности, уменьшение остаточных напряжений металла
Закалка	Улучшает прочностные характеристики
Закалка и неполное искусственное старение	Повышает прочность при сохранении пластичности

Минералы, месторождения…а самородный алюминий?

Запасы алюминия в природе огромны. Среди металлов он держит первое место по распространенности. Но «общительность», активность элемента привела к тому, что в чистом виде металл практически отсутствует.

Производство алюминия в миллионах тонн.

Минералов, содержащих алюминий, много:

• бокситы;
• глиноземы;
• полевые шпаты;
• нефелины;
• корунды.

Так что добыча алюминиевого сырья не составляет большого труда.

Если все запасы на Земле истощатся (что сомнительно), то алюминий можно добывать из морской воды. Там его содержание составляет 0,01 мг/л.

Кто захочет увидеть самородный алюминий, тому придется опускаться в жерла вулканов.

Происхождением такой металл из самых глубин нашей планеты.

Как производят крылатый металл

Производство металла можно разделить на две стадии.

• Первая — добыча бокситов, их дробление и отделение кремния при помощи пара.
• Вторая стадия: глинозем смешивают с расплавленным криолитом и воздействуют на смесь электротоком. В процессе реакции жидкий алюминий оседает на дне ванны.

Образовавшийся металл отливают в слитки; далее он отправляется потребителям или на производство сплавов и высокочистого алюминия.

Метод энергозатратный, «кушает» много электричества.

Бывает технический и сверхчистый

Полученный алюминий называется техническим или нелегированным. В нем содержание чистого металла не менее 99%. Его потребляет электронная промышленность, он необходим в производстве теплообменных и нагревательных устройств, осветительного оборудования.

Часть этого металла отправляется на дополнительную очистку, «рафинирование». В результате имеем металл высокой чистоты, с содержанием алюминия не менее 99,995%.

Его употребляют в электронике, в производстве полупроводников. Кабельное производство, химическое машиностроение сейчас не обойдется без сверхчистого алюминия.

Интересно: до открытия промышленного способа получения алюминия он был редкостью и стоил дороже золота. Нашего великого химика, Д.И. Менделеева, британцы почтили подарком. Это были аналитические весы (вещь, незаменимая для химика), у которых чашечки изготовили из золота и алюминия.

Металл для крыльев

Без такого металла, как алюминий, невозможно покорение неба. Крыльев людям не дано, а летать хочется человеку с давних времен. Не напрасно миф об Икаре живет с античных времен. Попытки взлететь предпринимались неоднократно.

Но прорыв случился в 1903 году, когда романтики неба и замечательные механики братья Райт подняли в воздух самолетик. Этот самолет открыл путь в небо.

Применение

Широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной плёнкой Al2O3, которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, неядовитость его соединений. В частности, эти свойства сделали алюминий чрезвычайно популярным при производстве кухонной посуды, алюминиевой фольги в пищевой промышленности и для упаковки. Первые же три свойства сделали алюминий основным сырьём в авиационной и авиакосмической промышленности (в последнее время медленно вытесняется композитными материалами, в первую очередь, углеволокном).

Основной недостаток алюминия как конструкционного материала — малая прочность, поэтому для упрочнения его обычно сплавляют с небольшим количеством меди и магния (сплав называется дюралюминий).

Электропроводность алюминия всего в 1,7 раза меньше, чем у меди, при этом алюминий приблизительно в 4 раза дешевле за килограмм, но, за счёт в 3,3 раза меньшей плотности, для получения равного сопротивления его нужно приблизительно в 2 раза меньше по весу. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при напылении проводников на поверхности кристаллов микросхем. Меньшую электропроводность алюминия (3,7·107 См/м) по сравнению с медью (5,84·107 См/м), для сохранения одинакового электрического сопротивления, компенсируют увеличением площади сечения алюминиевых проводников. Недостатком алюминия как электротехнического материала является образование на его поверхности прочной диэлектрической оксидной плёнки, затрудняющей пайку и за счёт ухудшения контактного сопротивления вызывающей повышенное нагревание в местах электрических соединений, что, в свою очередь, отрицательно сказывается на надёжности электрического контакта и состоянии изоляции. Поэтому, в частности, 7-я редакция Правил устройства электроустановок, принятая в 2002 году, запрещает использовать алюминиевые проводники сечением менее 16 мм².

• Благодаря комплексу свойств широко распространён в тепловом оборудовании.
• Алюминий и его сплавы не приобретают хрупкость при сверхнизких температурах. Благодаря этому он широко используется в криогенной технике. Однако известен случай приобретения хрупкости криогенными трубами из алюминиевого сплава из-за их гибки на медных кернах при разработке РН Энергия.
• Высокий коэффициент отражения в сочетании с дешевизной и лёгкостью вакуумного напыления делает алюминий оптимальным материалом для изготовления зеркал.
• В производстве строительных материалов как газообразующий агент.
• Алитированием придают коррозионную и окалиностойкость стальным и другим сплавам, например, клапанам поршневых ДВС, лопаткам турбин, нефтяным платформам, теплообменной аппаратуре, а также заменяют цинкование.
• Сульфид алюминия используется для производства сероводорода.
• Идут исследования по разработке пенистого алюминия как особо прочного и лёгкого материала.

В качестве восстановителя

• Как компонент термита, смесей для алюмотермии.
• В пиротехнике.
• Алюминий применяют для восстановления редких металлов из их оксидов или галогенидов.
• Ограничено применяется как протектор при анодной защите.

Сплавы на основе алюминия

В качестве конструкционного материала обычно используют не чистый алюминий, а разные сплавы на его основе. Обозначение серий сплавов в данной статье приведена для США (стандарт H35.1 ANSI) и согласно ГОСТ России. В России основные стандарты — это ГОСТ 1583 «Сплавы алюминиевые литейные. Технические условия» и ГОСТ 4784 «Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки». Существует также UNS маркировка и международный стандарт алюминиевых сплавов и их маркировки ISO R209 b.

Алюминиевый профиль.

• Алюминиево-магниевые Al-Mg (ANSI: серия 5ххх у деформируемых сплавов и 5xx.x у сплавов для изделий фасонного литья; ГОСТ: АМг). Сплавы системы Al-Mg характеризуются сочетанием удовлетворительной прочности, хорошей пластичности, очень хорошей свариваемости и коррозионной стойкости. Кроме того, эти сплавы отличаются высокой вибростойкостью.

В сплавах этой системы, содержащих до 6 % Mg, образуется эвтектическая система соединения Al3Mg2 c твёрдым раствором на основе алюминия. Наиболее широкое распространение в промышленности получили сплавы с содержанием магния от 1 до 5 %.

Рост содержания Mg в сплаве существенно увеличивает его прочность. Каждый процент магния повышает предел прочности сплава на 30 МПа, а предел текучести — на 20 МПа. При этом относительное удлинение уменьшается незначительно и находится в пределах 30—35 %.

Сплавы с содержанием магния до 3 % (по массе) структурно стабильны при комнатной и повышенной температуре даже в значительно нагартованном состоянии. С ростом концентрации магния в нагартованном состоянии структура сплава становится нестабильной. Кроме того, увеличение содержания магния свыше 6 % приводит к ухудшению коррозионной стойкости сплава.

Для улучшения прочностных характеристик сплавы системы Al-Mg легируют хромом, марганцем, титаном, кремнием или ванадием. Попадания в сплавы этой системы меди и железа стараются избегать, поскольку они снижают их коррозионную стойкость и свариваемость.

• Алюминиево-марганцевые Al-Mn (ANSI: серия 3ххх; ГОСТ: АМц). Сплавы этой системы обладают хорошей прочностью, пластичностью и технологичностью, высокой коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью.

Основными примесями в сплавах системы Al-Mn являются железо и кремний. Оба этих элемента уменьшают растворимость марганца в алюминии. Для получения мелкозернистой структуры сплавы этой системы легируют титаном.

Присутствие достаточного количества марганца обеспечивает стабильность структуры нагартованного металла при комнатной и повышенной температурах.

• Алюминиево-медные Al-Cu (Al-Cu-Mg) (ANSI: серия 2ххх, 2xx.x; ГОСТ: АМ). Механические свойства сплавов этой системы в термоупрочненном состоянии достигают, а иногда и превышают, механические свойства низкоуглеродистых сталей. Эти сплавы высокотехнологичны. Однако у них есть и существенный недостаток — низкое сопротивление коррозии, что приводит к необходимости использовать защитные покрытия.

В качестве легирующих добавок могут применяться марганец, кремний, железо и магний. Причем наиболее сильное влияние на свойства сплава оказывает последний: легирование магнием заметно повышает пределы прочности и текучести. Добавка кремния в сплав повышает его способность к искусственному старению. Легирование железом и никелем повышает жаропрочность сплавов второй серии.

Нагартовка этих сплавов после закалки ускоряет искусственное старение, а также повышает прочность и сопротивление коррозии под напряжением.

• Сплавы системы Al-Zn-Mg (Al-Zn-Mg-Cu) (ANSI: серия 7ххх, 7xx.x). Сплавы этой системы ценятся за очень высокую прочность и хорошую технологичность. Представитель системы — сплав 7075 является самым прочным из всех алюминиевых сплавов. Эффект столь высокого упрочнения достигается благодаря высокой растворимости цинка (70 %) и магния (17,4 %) при повышенных температурах, резко уменьшающейся при охлаждении.

Однако существенным недостатком этих сплавов является крайне низкая коррозионная стойкость под напряжением. Повысить сопротивление коррозии сплавов под напряжением можно легированием медью.

Нельзя не отметить открытой в 1960-е годы закономерности: присутствие лития в сплавах замедляет естественное и ускоряет искусственное старение. Помимо этого, присутствие лития уменьшает удельный вес сплава и существенно повышает его модуль упругости. В результате этого открытия были разработаны новые системы сплавов Al-Mg-Li, Al-Cu-Li и Al-Mg-Cu-Li.

• Алюминиево-кремниевые сплавы (силумины) лучше всего подходят для литья. Из них часто отливают корпуса разных механизмов.
• Комплексные сплавы на основе алюминия: авиаль.

Алюминий как добавка в другие сплавы

Алюминий является важным компонентом многих сплавов. Например, в алюминиевых бронзах основные компоненты — медь и алюминий. В магниевых сплавах в качестве добавки чаще всего используется алюминий. Для изготовления спиралей в электронагревательных приборах используют (наряду с другими сплавами) фехраль (Fe, Cr, Al). Добавка алюминия в так называемые «автоматные стали» облегчает их обработку, давая чёткое обламывание готовой детали с прутка в конце процесса.

Ювелирные изделия

Когда алюминий был очень дорог, из него делали разнообразные ювелирные изделия. Так, Наполеон III заказал алюминиевые пуговицы, а Менделееву в 1889 году были подарены весы с чашами из золота и алюминия. Мода на ювелирные изделия из алюминия сразу прошла, когда появились новые технологии его получения, во много раз снизившие себестоимость. Сейчас алюминий иногда используют в производстве бижутерии.

В Японии алюминий используется в производстве традиционных украшений, заменяя серебро.

Столовые приборы

По приказу Наполеона III были изготовлены алюминиевые столовые приборы, которые подавались на торжественных обедах ему и самым почётным гостям. Другие гости при этом пользовались приборами из золота и серебра.

Затем столовые приборы из алюминия получили широкое распространение, со временем использование алюминиевой кухонной утвари существенно снизилось, но и в настоящее время их всё ещё можно увидеть лишь в некоторых заведениях общественного питания — несмотря на заявления некоторых специалистов о вредности алюминия для здоровья человека. Кроме того, такие приборы со временем теряют привлекательный вид из-за царапин и форму из-за мягкости алюминия.

Из алюминия делают посуду для армии: ложки, котелки, фляжки.

Стекловарение

В стекловарении используются фторид, фосфат и оксид алюминия.

Пищевая промышленность

Алюминий зарегистрирован в качестве пищевой добавки Е173.

Алюмогель — студенистый осадок, образующийся при быстром осаждении гидроксида алюминия из солевых растворов, не имеющий кристаллического строения и содержащий большое количество воды используется в качестве основы для антацидных, обезболивающих и обволакивающих средств (алгелдрат; в смеси с гидроксидом магния — альмагель, маалокс, гастрацид и др.) при заболеваниях желудочно-кишечного тракта.

Военная промышленность

Дешевизна и вес металла обусловили широкое применение в производстве ручного стрелкового оружия, в частности автоматов и пистолетов.

Алюминий и его соединения в ракетной технике

Алюминий и его соединения используются в качестве высокоэффективного ракетного горючего в двухкомпонентных ракетных топливах и в качестве горючего компонента в твёрдых ракетных топливах. Следующие соединения алюминия представляют наибольший практический интерес как ракетное горючее:

• Порошковый алюминий как горючее в твёрдых ракетных топливах. Применяется также в виде порошка и суспензий в углеводородах.
• Гидрид алюминия.
• Боранат алюминия.
• Триметилалюминий.
• Триэтилалюминий.
• Трипропилалюминий.

Триэтилалюминий (обычно в смеси с триэтилбором) используется также для химического зажигания (как пусковое горючее) в ракетных двигателях, так как он самовоспламеняется в газообразном кислороде. Ракетные топлива на основе гидрида алюминия, в зависимости от окислителя, имеют следующие характеристики:

Окислитель	Удельная тяга (Р1, с)	Температура сгорания, °С	Плотность топлива, г/см³	Прирост скорости, ΔV ид, 25, м/с	Весовое содержание горючего, %
Фтор	348,4	5009	1,504	5328	25
Тетрафторгидразин	327,4	4758	1,193	4434	19
ClF3	287,7	4402	1,764	4762	20
ClF5	303,7	4604	1,691	4922	20
Перхлорилфторид	293,7	3788	1,589	4617	47
Фторид кислорода	326,5	4067	1,511	5004	38,5
Кислород	310,8	4028	1,312	4428	56
Пероксид водорода	318,4	3561	1,466	4806	52
N2O4	300,5	3906	1,467	4537	47
Азотная кислота	301,3	3720	1,496	4595	49

Алюмоэнергетика использует алюминий как универсальный вторичный энергоноситель. Его применения в этом качестве:

• Окисление алюминия в воде для производства водорода и тепловой энергии.
• Окисление алюминия кислородом воздуха для производства электроэнергии в воздушно-алюминиевых электрохимических генераторах.

Токсичность

Отличается незначительным токсическим действием, но многие растворимые в воде неорганические соединения алюминия сохраняются в растворённом состоянии длительное время и могут оказывать вредное воздействие на человека и теплокровных животных через питьевую воду. Наиболее ядовиты хлориды, нитраты, ацетаты, сульфаты и др. Для человека токсическое действие при попадании внутрь оказывают следующие дозы соединений алюминия (мг/кг массы тела): ацетат алюминия — 0,2-0,4; гидроксид алюминия — 3,7-7,3; алюминиевые квасцы — 2,9. В первую очередь действует на нервную систему (накапливается в нервной ткани, приводя к тяжёлым расстройствам функции ЦНС). Однако свойство нейротоксичности алюминия стали изучать с середины 1960-х годов, так как накоплению металла в организме человека препятствует механизм его выведения. В обычных условиях с мочой может выделяться до 15 мг элемента в сутки. Соответственно, наибольший негативный эффект наблюдается у людей с нарушенной выделительной функцией почек.

Норматив содержания алюминия в воде хозяйственно-питьевого использования сотавляет 0,2 мг/л. При этом данная ПДК может быть увеличена до 0,5 мг/л главным государственным санитарным врачом по соответствующей территории для конкретной системы водоснабжения.